エアロゾル線量測定のマルチスケールモデリングのための3D計算液粒子ダイナミクスの効率的な双方向カップリングと1D複数経路粒子線量測定肺モデルモデル

予測エアロゾル線量測定モデルの開発は、何十年もの間、環境毒物学と製薬健康研究の主要な焦点でした。1次元（1D）モデルは、全体的な堆積平均を正常に予測しますが、局所堆積を正確に予測できません。計算流体粒子ダイナミクス（CFPD）モデルは、部位固有の予測を提供しますが、肺全体の予測を禁止する計算コストで提供されます。したがって、肺の吸入エアロゾルの運命の現実的な主題固有の絵を提供するために、マルチスケール戦略を開発する必要があります。大気道のCTベースの3D/CFPDモデルは、広く使用されている複数の経路粒子線量測定モデル（MPPD）に基づいた個別化された1Dナビエストークスの気流と粒子輸送と双方向に結合されました。ローブ間の気流の分布は、FRCとFRC + 1.5 Lの間のCT画像で観察された測定されたロバー容量の変化によって調整されました。完全な結合モデルは3つの呼吸で実行され、計算上の部分は3D CFPDラグランジアン粒子追跡計算です。呼吸あたりの平均堆積は、複合マルチスケールモデルで11％であり、モデルのCFPD部分で利用可能なサイト固有の用量と、MPPD部分で利用可能な気道または領域固有の堆積が利用可能でした。結論として、この研究で開発された重要な方法により、換気の不均一性と3Dモデルまたは1Dモデルだけで捕捉されない肺全体にエアロゾル沈着の予測が可能になります。これらの方法は、完全な呼吸器系のマルチスケールモデリングの基礎として使用できます。

The development of predictive aerosol dosimetry models has been a major focus of environmental toxicology and pharmaceutical health research for decades. One-dimensional (1D) models successfully predict overall deposition averages but fail to accurately predict local deposition. Computational fluid-particle dynamics (CFPD) models provide site-specific predictions but at a computational cost that prohibits whole lung predictions. Thus, there is a need for developing multiscale strategies to provide a realistic subject-specific picture of the fate of inhaled aerosol in the lungs. CT-based 3D/CFPD models of the large airways were bidirectionally coupled with individualized 1D Navier-Stokes airflow and particle transport based upon the widely used Multiple Path Particle Dosimetry Model (MPPD). Distribution of airflows among lobes was adjusted by measured lobar volume changes observed in CT images between FRC and FRC + 1.5 L. As a test of the effectiveness of the coupling procedures, deposition modeling of previous 1 μm aerosol exposure studies was performed. The complete coupled model was run for 3 breaths, with the computation-intense portion being the 3D CFPD Lagrangian particle tracking calculation. The average deposition per breath was 11% in the combined multiscale model with site-specific doses available in the CFPD portion of the model and airway- or region-specific deposition available for the MPPD portion. In conclusion, the key methods developed in this study enable predictions of ventilation heterogeneities and aerosol deposition across the lungs that are not captured by 3D or 1D models alone. These methods can be used as the foundation for multi-scale modeling of the full respiratory system.